CN103397361B - 一种制备高硅无取向硅钢的方法 - Google Patents

一种制备高硅无取向硅钢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备高硅无取向硅钢的方法，包括以下步骤：1）在低碳钢表面预镀纯铁；2）在预镀后的钢板表面沉积一层Fe-Si合金层；以及3）将电镀好的钢板在氢气气氛炉内进行热处理。本发明有益效果：利用氢气气氛下高温环境使合金层与低碳钢表面有更好的结合，使得表面硅含量可控，并能达到6.3%~13.3%，即得到极佳磁性能的高硅硅钢材料。本发明的有益效果为：成本低，操作简单易行，实用性强。

Description

一种制备高硅无取向硅钢的方法
技术领域
本发明涉及磁性材料制备、钢铁表面硅合金化技术领域，尤其涉及一种制备高硅无取向硅钢的方法。
背景技术
硅钢亦称电工钢，是电力、电子和电讯工业用以制造发电机、电动机、变压器、继电器、互感器以及其它电器仪表的重要磁性材料。研究表明：硅钢片中的硅含量对其产品的特性(如：磁感应强度和铁损)影响很大。随着硅含量的增加，硅钢片的电阻率增大，涡流损失减小，从而在较高频率下表现出优良的磁性。当硅的质量分数增高至6.5％时便具有最佳的软磁特性，比如中高频铁损低、磁致伸缩接近于零，磁导率高，矫顽力低，是制作低噪音、低铁损变压器和电抗器的理想铁芯材料。
但当Si含量超过5%的Fe-Si合金既硬又脆，材料塑性迅速降低，以至于无法采用常规的轧制技术生产。所以工业轧制生产的硅钢片的硅含量最高极限一直被限制在4.5％。多年来，高硅钢的生产一直是研究的热点，人们探索出许多生产高硅含量硅钢片的方法。
近些年发展较好的高硅硅钢片制备工艺有如下几种：
（1）快凝法
1978年，日本东北大学的Tsuya等首次报道了用快速凝固法制造Fe100－xSix(4wt%<x<10wt%)合金带，用这种工艺获得了细小的晶粒，引起了人们的关注。人们对该工艺制备高硅硅钢片进行了大量的研究。快凝高硅钢带通常由柱状晶和等轴晶组成，晶粒尺寸为10μm，其磁性能中矫顽力Hc为48.5A/m，磁滞损耗为1.24W/kg。经过退火后，磁性能可以进一步提高。同时，快凝高硅钢带可以进一步冷轧，以获得具有(110)[001]织构的取向材料。然而，快凝法制备高硅硅钢片还存在宽度、厚度有限且表面质量差等问题。最近，北京科技大学周成和谢建新教授提出了双带法快速凝固工艺新技术制备高硅硅钢片，不过关于这方面的后续报道很少。
（2）扩散渗硅法
扩散渗硅法是将硅通过高温热处理扩散的方式渗入低硅钢成品中来制取高硅钢的一种方法。日本钢管（NNK）已采用连续化学气相沉积（CVD）法制备高硅钢，已投入工业化生产。目前，虽然CVD法生产高硅硅钢片实现了产业化，但是，此工艺存在设备维修率高、环境污染、设备昂贵的缺点。
（3）电子束物理气相沉积工艺（EB-PVD）
电子束物理气相沉积法是一种能制备传统轧制工艺难以制备的大尺寸、厚度可调板材的先进工艺。它的原理为：电子束通过磁场或电场聚焦在蒸发源锭料上，使材料熔化；在真空的低气压环境中，蒸发源在熔池上方气化，气相原子通常是从熔池表面以直线运动到基片表面并沉积在基片表面形成沉积层，沉积完后冷却，剥离沉积层得到板材。目前，我们已用电子束物理气相沉积工艺制备出高硅硅钢片，相关的研究工作正在进行中。
（4）粉末压延法
粉末压延法就是将粉末通过漏斗喂入一对旋转轧辊之间使其压实成连续带坯的方法。日本的山下治等用铁粉和硅粉（或铁硅粉）混合制备出平均粒径为300μm以下的板状烧结体，对此烧结体进行冷轧、退火来制备高硅硅钢片；在专利中还提到在粉末中加入少量的稀土La可以成倍地提高电阻率，并改善磁性能。武汉大学的李然等用铁粉和硅粉直接混合轧制、退火扩散的工艺制备高硅硅钢片，获得了0.3mm厚的高硅硅钢片。武汉理工大学张联盟等提出用先制备具有塑性的硅-铁均匀包覆型复合粉末，再进行轧制，最后高温扩散处理，将硅均匀分布在基体中的工艺。目前，这种工艺还处在实验室研究中。
（5）特殊轧制法
1966年，Shizaka等首次用热轧-冷轧方法制备出了Fe-6.5wt%Si硅钢片，厚度为0.3mm。随后，人们努力探索取得了一些成果；俄罗斯研制了一种三轧法工艺，即热轧、温轧、冷轧。在激烈调整原子有序排列的温度区间以大于总轧制量75%的中间温轧可以破坏有序排列，改善塑性，但此工艺的附加工艺变得很复杂。1988年，日本钢管公司利用轧制技术进行高硅硅钢片生产，但是没有详细的工艺报道，后续报道也很少。
最近又出现了电子束物理气相沉积法制备高硅硅钢片、包覆渗硅法等新工艺。
随着我国工业化进程的加快以及当前节能减排要求的不断提高，高硅钢薄板作为一种高效的电磁材料，必将得到高度的关注以及快速的发展。高硅钢其优异的磁学性能和广阔的应用前景更是吸引着科技工作者进行大量的研究和开发工作。高硅钢薄板的研究一直在进行，生产工艺也有许多，可是能够真正实现大规模生产的核心技术还很少，所以当前最重要的是研究开发经济高效的制备工艺，降低高硅钢薄板的生产成本，提高质量，满足我国社会经济发展的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备高硅无取向硅钢的方法，以克服目前现有技术存在的上述不足。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种制备高硅无取向硅钢的方法，具体包括以下步骤：
1）在低碳钢表面预镀纯铁，所用镀液配方为：FeCl2·4H2O：350g/L；NaCl：15g/L；MnCl2：3g/L；H3BO3：8g/L；抗坏血酸：3g/L；十二烷基硫酸钠：2g/L，上述组分均为分析纯；
2）在预镀后的钢板表面沉积一层Fe-Si合金层，所用镀液配方为：FeCl2·4H2O：350g/L；NaCl：15g/L；MnCl2：3g/L；H3BO3：8g/L；抗坏血酸：3g/L；十二烷基硫酸钠：2g/L，纳米Si粉：10-30g/L，上述组分均为分析纯；以及
3）将电镀好的钢板在氢气气氛炉内进行热处理。
进一步的，所述步骤1）和步骤2）在超声条件下进行，所述超声频率为45Khz；电镀温度为40±1℃；阴极电流密度为2A/dm2；电镀时间为450-3600秒。
进一步的，所述步骤3）升温速率为10-20℃/min，升温至500-800℃；所述步骤3）的保温时间为2h，随炉冷却。
本发明的有益效果为：利用氢气气氛下高温环境使合金层与低碳钢表面有更好的结合，使得表面硅含量可控，并能达到6.3%~13.3%，即得到极佳磁性能的高硅硅钢材料。成本低，操作简单易行，实用性强。
具体实施方式
实施例一
(1)将普通冷轧低碳钢表面打磨光亮，水洗，超声清洗，活化，表面预镀一层纯铁，电镀温度维持在40±1℃，阴极电流密度为2A/dm2，电镀时间为1800秒。在45Khz超声条件下进行电镀。
(2)在预镀后的钢板表面再沉积一层Fe-Si合金层。在上述镀铁液中加入10g/L的纳米Si粉，以相同的温度、电流密度和电镀时间，在45Khz超声条件下复合电沉积。
(3)将电镀好的钢板在氢气气氛炉内热处理2h，升温速率控制在10-20℃/min，升温至700℃，保温时间为2h，随炉冷却。经过以上工艺的样品经过EDS和XPS检测得到的合金层硅含量为6.3w%。
实施例二
(1)将普通冷轧低碳钢表面打磨光亮，水洗，超声清洗，活化，表面预镀一层纯铁，电镀温度维持在40±1℃，阴极电流密度为2A/dm2，电镀时间为1800秒。在45Khz超声条件下进行电镀。
(2)在预镀后的钢板表面再沉积一层Fe-Si合金层。在上述镀铁液中加入30g/L的纳米Si粉，以相同的温度、电流密度和电镀时间，在45Khz超声条件下复合电沉积。
(3)将电镀好的钢板在氢气气氛炉内热处理2h，升温速率控制在10-20℃/min，升温至700℃，保温时间为2h，随炉冷却。经过以上工艺的样品经过EDS和XPS检测得到的合金层硅含量为12.5w%。
实施例三
(1)将普通冷轧低碳钢表面打磨光亮，水洗，超声清洗，活化，表面预镀一层纯铁，电镀温度维持在40±1℃，阴极电流密度为2A/dm2，电镀时间为3600秒。在45Khz超声条件下进行电镀。
(2)在预镀后的钢板表面再沉积一层Fe-Si合金层。在上述镀铁液中加入30g/L的纳米Si粉，以相同的温度、电流密度和电镀时间，在45Khz超声条件下复合电沉积。
(3)将电镀好的钢板在氢气气氛炉内热处理2h，升温速率控制在10-20℃/min，升温至700℃，保温时间为2h，随炉冷却。经过以上工艺的样品经过EDS和XPS检测得到的合金层硅含量为13.3w%。
实施例四
(1)将普通冷轧低碳钢表面打磨光亮，水洗，超声清洗，活化，表面预镀一层纯铁，电镀温度维持在40±1℃，阴极电流密度为2A/dm2，电镀时间为450秒。在45Khz超声条件下进行电镀。
(2)在预镀后的钢板表面再沉积一层Fe-Si合金层。在上述镀铁液中加入30g/L的纳米Si粉，以相同的温度、电流密度和电镀时间，在45Khz超声条件下复合电沉积。
(3)将电镀好的钢板在氢气气氛炉内热处理3h，升温速率控制在10-20℃/min，升温至700℃，保温时间为2h，随炉冷却。经过以上工艺的样品经过EDS和XPS检测得到的合金层硅含量为9.6w%。
实施例五
(1)将普通冷轧低碳钢表面打磨光亮，水洗，超声清洗，活化，表面预镀一层纯铁，电镀温度维持在40±1℃，阴极电流密度为2A/dm2，电镀时间为3600秒。在45Khz超声条件下进行电镀。
(2)在预镀后的钢板表面再沉积一层Fe-Si合金层。在上述镀铁液中加入20g/L的纳米Si粉，以相同的温度、电流密度和电镀时间，在45Khz超声条件下复合电沉积。
(3)将电镀好的钢板在氢气气氛炉内热处理2h，升温速率控制在10-20℃/min，升温至500℃，保温时间为2h，随炉冷却。经过以上工艺的样品经过EDS和XPS检测得到的合金层硅含量为8.4w%。
实施例六
(1)将普通冷轧低碳钢表面打磨光亮，水洗，超声清洗，活化，表面预镀一层纯铁，电镀温度维持在40±1℃，阴极电流密度为2A/dm2，电镀时间为3600秒。在45Khz超声条件下进行电镀。
(2)在预镀后的钢板表面再沉积一层Fe-Si合金层。在上述镀铁液中加入20g/L的纳米Si粉，以相同的温度、电流密度和电镀时间，在45Khz超声条件下复合电沉积。
(3)将电镀好的钢板在氢气气氛炉内热处理2h，升温速率控制在10-20℃/min，升温至600℃，保温时间为2h，随炉冷却。经过以上工艺的样品经过EDS和XPS检测得到的合金层硅含量为7.8w%。
实施例七
(1)将普通冷轧低碳钢表面打磨光亮，水洗，超声清洗，活化，表面预镀一层纯铁，电镀温度维持在40±1℃，阴极电流密度为2A/dm2，电镀时间为3600秒。在45Khz超声条件下进行电镀。
(2)在预镀后的钢板表面再沉积一层Fe-Si合金层。在上述镀铁液中加入20g/L的纳米Si粉，以相同的温度、电流密度和电镀时间，在45Khz超声条件下复合电沉积。
(3)将电镀好的钢板在氢气气氛炉内热处理2h，升温速率控制在10-20℃/min，升温至800℃，保温时间为2h，随炉冷却。经过以上工艺的样品经过EDS和XPS检测得到的合金层硅含量为6.3w%。
表1测得实施例所有样品的维氏硬度测试比较
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种制备高硅无取向硅钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将低碳钢表面打磨光亮，水洗，超声清洗，活化，表面预镀一层纯铁，电镀温度维持在40±1℃，阴极电流密度为2A/dm2，电镀时间为450-3600秒，在45Khz超声条件下进行电镀，所用镀液包括以下组分：FeCl2·4H2O：350g/L；NaCl：15g/L；MnCl2：3g/L；H3BO3：8g/L；抗坏血酸：3g/L；以及十二烷基硫酸钠：2g/L，上述组分均为分析纯；
2）在预镀后的钢板表面沉积一层Fe-Si合金层，所用镀液包括以下组分：FeCl2·4H2O：350g/L；NaCl：15g/L；MnCl2：3g/L；H3BO3：8g/L；抗坏血酸：3g/L；以及十二烷基硫酸钠：2g/L；以及纳米Si粉：10-30g/L，上述组分均为分析纯，电镀温度维持在40±1℃，阴极电流密度为2A/dm2，电镀时间为450-3600秒，在45Khz超声条件下进行电镀；以及
3）将电镀好的钢板在氢气气氛炉内进行热处理，保温时间为2小时，随炉冷却，升温速率为10-20℃/分钟，升温至500-800℃。
2.根据权利要求1所述的制备高硅无取向硅钢的方法，其特征在于：所述步骤1）和步骤2）中电镀时间为450秒或1800秒或3600秒。
3.根据权利要求1所述的制备高硅无取向硅钢的方法，其特征在于：所述步骤2）中纳米Si粉：10g/L或20g/L或30g/L。
4.根据权利要求1所述的制备高硅无取向硅钢的方法，其特征在于：所述步骤3）中以升温速率为10-20℃/分钟，升温至500℃或600℃或700℃或800℃。
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